盐溶液对于水泥土抗压强度和电阻率的影响

霍海峰，王文博

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

水泥土做为一种有效的软土地基处理方式已被广泛应用在工程实践中，然而由于岩土工程处于开放的环境中，水泥土在养护过程中不可避免受到外界水环境的侵蚀，如生活污水、化工污水及地下水，其直接影响着力学指标的发展。国内外学者已对水泥土进行了一系列研究，Shihata等[1]发现Ca2+扩散到周围环境可使水泥土表层劣化。董晓强等[2]研究了电阻率与力学指标的关系，认为电阻率可有效反映水泥土的污染程度和抗压强度。白晓红等[3]认为硫酸对水泥土侵蚀作用显著。宁宝宽等[4]探讨了不同PH值下水泥土的力学效应。宋新江等[5]通过三周压缩固结排水试验，发现水泥土的应力-应变曲线为软化型，软化程度与围压有关。马冬梅[6]通过扫描电子显微镜及X射线衍射试验研究高含盐量水泥土的强度，表明Mg2+、Cl-、SO42-都对水泥土强度有负面作用。黄新恩等[7]认为生活污水和造纸厂污水未改变水泥土弹塑性本质。刘东峰[8]通过对侵蚀在氯化钠和氯化镁溶液中的水泥土进行抗压强度试验，从化学动力学角度分析了两种溶液的侵蚀机理。Chun等[9]通过试验确定了水泥与海相软土的配比，使得加固最为理想。邢皓枫等[10]通过扫描电子显微镜研究可溶盐引起水泥土强度增长的过程和机理。史晋荣等[11]模拟氯化物在水泥土内的离子环境，测定水泥土抗压强度和变形，发现钠离子较镁离子对水泥土强度和变形影响小。刘泉声等[12]通过室内试验和理论推导，得出水泥土试块最大强度出现在90～270天之间。

尽管前人对盐溶液影响研究有了较多成果，但由于所研究土体土性差别明显，很多结论并未统一。故本文针对天津典型黏土做了化学侵蚀下水泥土强度和电阻率变化规律研究，试验考虑了常见腐蚀离子、pH值及腐蚀等级的影响，并得到有意义的结论，其试验结果为在天津地区进行软土处理设计及施工提供科学依据。

1 试验方案

土样取自天津滨海国际机场附近地表以下1.2～1.5 m，风干碾碎后过2 mm的筛，其液限为40%，塑限为15%，密度1.81 g/cm3，成分分析如表1所示。水泥为普通硅酸盐水泥（42.5#）。试验步骤如下：

表1 土样主要化学成分含量Tab.1 Main chemical composition of soil sample

1）制样 将风干土、水泥、水按比例1∶0.13∶0.48充分搅拌，装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm标准磨具中，静置24 h后脱模放入养护箱养护7天。参考《岩土工程勘查规范》（GB50021-2001），配置不同腐蚀等级的Na2SO4、MgCl2、NaOH和H2SO4溶液。环境类型取Ⅱ类，PH取A类，并加清水对照组，如表2～表3所示。将试块完全浸泡在溶液中，以便能充分发生反应。

表2 腐蚀评价Tab.2 Corrosion evaluation

表3 pH值腐蚀评价Tab.3 pH value corrosion evaluation

2）无侧限抗压强度试验 采用万用实验机对试块进行抗压强度试验，进行3组平行试验取其平均值为无侧限抗压强度。

3）电阻率试验 浸泡所需龄期（7、14、28、60、90天）后取出试块，晾至表面无水膜，选取表面平整面喷涂石墨，夹紧电极板进行电阻率测试。

4）电镜试验 采用电镜对浸泡后的土体进行细观结构观测，经过切样、脱水、镀金和扫描4个阶段。SEM图像均采用LeicaQwin5000图像处理软件进行处理及分析，选择100～150之间的阈值分析孔隙及颗粒形态特征。

2 实验结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验结果分析

1）硫酸根离子

硫酸根离子不同腐蚀等级下水泥土抗压强度随龄期的变化如图1所示。不同腐蚀等级下，水泥土抗压强度均表现出前期（28天内）增长较快，之后增长放缓的趋势。随着腐蚀等级的提高，抗压强度先增后减，当盐溶液浓度提高到强腐蚀时，水泥土抗压强度将低于清水养护的强度。如养护时间为90天时，微腐蚀、中腐蚀、清水养护和强腐蚀环境下，水泥土抗压强度分别为 3.3 MPa、3.5 MPa、3 MPa和 2.6 MPa。

图1 硫酸根不同腐蚀等级下抗压强度发展规律Fig.1 Development law of compressive strength under different corrosion grades of sulfate

盐溶液中Na+将与水泥水化生成Ca（OH）2中的Ca2+进行离子交换，并产生硫酸钙，硫酸钙消耗大量的水生成钙矾石晶体，从而提高水泥土的强度。其化学反应式如下钙矾石的生成反应迅速，其把大量的自由水以结晶水形式固定，由电镜扫描可发现，钙矾石以针状结晶形式析出。图2分析了7天、28天、60天后的内部细观结构，可看出清水制样时水化产物将颗粒联结在一起，形成整体性较强的结构。盐溶液下，细观结构中单元间接触更加紧密，土体内部孔隙显著减小，28天的可见有细小的针状晶体，60天后针状体不断发展，可明显看出悬浮在土体表面上。这种针状颗粒即钙矾石，其或填充于各缝隙之间，或覆盖在土体颗粒的表面，将不同物质紧密联结在一起，加强了各单元间的胶结作用，促进了强度的增长。可见硫酸纳的存在所形成的水化物将改变结构的连结形式，使得胶结强度进一步提升。

图2 水泥土细观结构发展规律Fig.2 Development law of cement soil under microstructure

由于晶体含有大量结晶水，将显著增加土体的体积。随着硫酸钠溶液腐蚀等级的提高，土体将进一步密实并促进强度增长；但当硫酸钠的量超过一定临界值时，由于土体中孔隙已被完全填充，过多的晶体析出将使水泥土开裂，使得强度降低。由本次试验可看出，强腐蚀等级下水泥土强度显著下降，甚至低于清水养护的强度。

2）镁离子

图3为镁离子不同腐蚀等级下水泥土抗压强度的变化。可看出，不同等级下水泥土抗压强度均增加。与硫酸根离子不同的是，镁离子的存在将降低水泥土的抗压强度，且随着腐蚀等级的提高，强度减弱效果更加显著。如养护时间90天时，清水养护、微腐蚀、中腐蚀和强腐蚀下的抗压强度分别为3 MPa、2.7 MPa、2.5 MPa和 2.4 MPa。

图3 镁离子不同腐蚀等级下抗压强度发展规律Fig.3 Development law of compressive strength under different corrosion grades of magnesium

MgCl2与水泥水化产物水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）反应生成 MgO·SiO2·H2O，如式（2）和式（3）所示，而MgO·SiO·2H2O胶结性远远弱于水化产物水化硅酸钙，故镁离子的存在将降低水泥土的抗压强度，且随着溶液腐蚀等级的提高，减弱效果不断加强，反应式为

3）pH 值

图4为pH值分别为11和3时水泥土抗压强度的发展。其中碱性环境采用NaOH溶液，酸性环境采用H2SO4溶液，清水溶液的pH值为7。可以看出随着pH值的增大，水泥土抗压强度不断增加。

图4 pH值腐蚀等级微和强时抗压强度与龄期关系Fig.4 Relationship between compressive strength and age when pH value corrosion grade is micro and strong

当溶液为氢氧化钠时，如式（4）～式（6）所示，经过一系列反应生成硅酸钠（Na2SiO3）和钠长石（Na2O·Al2O·36SiO2）。在内部空间形成蜂窝状的团粒结构，使得土体更加紧密，可加强水泥土的强度。反应式为

而H+与水泥水化产物氢氧化钙反应，降低了水泥土的碱性，且与水化产物水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）等反应，破坏了水泥土胶凝结构，故具有降低水泥土强度的作用。反应式为

图5和图6为水泥土在酸碱溶液下养护28天后的细观结构对比图，与氢氧化钠溶液相比，硫酸溶液下土体内部缝隙较多，增大了土体的孔隙，并直接影响着抗压强度的发展。

图5 硫酸溶液养护Fig.5 Maintenance of sulfuric acid solution

图6 氢氧化钠溶液养护Fig.6 Sodium hydroxide solution maintenance

2.2 电阻率试验结果分析

图7和图8为Na2SO4溶液和MgCl2溶液养护下的水泥土电阻率变化图。水泥土电阻率随龄期均表现出现快速增长、后增长趋势放缓的规律。

图7 Na2SO4电阻率与龄期关系图Fig.7 Relationship between Na2SO4resistivity and age

图8 MgCl2电阻率与龄期关系图Fig.8 Relationship between MgCl2resistivity and age

随着Na2SO4溶液腐蚀等级的提高，电阻率表现出先增后减的趋势。这是由于水化物的生成将不断填充孔隙，造成孔隙水减少而结构更密实，使得水泥土电阻率增加。当腐蚀等级达到强时，大量水化物的产生破坏了水泥土内部结构，土体开裂造成土中水的增加，使得电阻率有所降低。而镁离子的存在生成了胶结性较差的水化物，水泥土结构相对较为疏松，故电阻率有所降低。

pH值分别为11和3时，土体电阻率变化如图9所示。可以看出pH值为3时电阻率较小，这是由于水泥土的电阻率较大程度上决定于孔隙水的电阻率，如前文所述，硫酸溶液降低了水泥土胶凝结构，孔隙比相对增加，故造成电阻率减小。相反，氢氧化钠溶液环境下，土体间的相互连接作用得到加强，水泥土中水含量减小，电阻率相对增大。

图9 pH值腐蚀等级微和强时电阻率与龄期关系Fig.9 Relationship between resistivity and age when pH value corrosion grade is micro and strong

本文将水泥土电阻率与抗压强度进行联系，可看出，尽管不同盐溶液间水泥土抗压强度差别较大，如电阻率为120 Ω·m时，抗压强度最大值接近最小值的2倍，线性相关系数较低。但总体上看，抗压强度与电阻率成线性关系，随着电阻率的增加水泥土抗压强度不断增大，如图10所示。

图10 电阻率与抗压强度关系Fig.10 Relationship between resistivity and compressive strength

3 结语

通过室内试验研究了不同养护环境下水泥土抗压强度和电阻率的变化规律，对比清水和盐溶液浸泡细观结构，得到以下结论：

1）盐溶液环境对于水泥土强度影响显著。硫酸根离子腐蚀等级分别为微、中和强时，抗压强度先增大后减小，且强腐蚀下抗压强度小于清水养护；随着镁离子浓度的增加，水泥土抗压强度逐渐减小。随着PH值的增加，水泥土抗压强度不断增大，这是由于碱溶液下土体内部结构更加密实。

2）随着硫酸根离子浓度的增加，水泥土电阻率先增大后减小；镁离子的存在对于电阻率的增加有抑制作用；随着pH值的增加，水泥土电阻率有所增加。

3）盐溶液环境下，水泥土电阻率与抗压强度呈一定的线性关系。

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